半导体激光器5.4

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1、5.4 半导体激光器以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。其特点为超小型、高效率、低 成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光 高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光 计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。自1962年半导体砷化嫁（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结 、双 异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外，逐渐地成为现代 激光器件中的应用面最广、发展最为迅速的一种重要器件类型。同以气体或固体作为工作物质的激光器一样，欲使半导体材料产生激光，同样要使半 导体材

2、料中电子能态发生变化，以形成一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学共 振腔。但是，由于半导体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和 固体激光器的特性。因此，要深入了解半导体激光器的特性和原理，我们必须先了解有关 半导体材料的一些理论基础。5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件一、有关半导体的基础知识1能带构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单 个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的“共有化运动”。量子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每 一个允许能级要分裂成 N个与原来能级

3、很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目 N非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小（相互间的能级差 为10-22） ，几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量范围 称为“能带”。不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这个间隔范围内电子不能处于稳 定状态，实际上形成一个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Ev来衡量。下图说明 了原子中子轨道、能级及能带之间的对应关系。 图(5-23) 固体的能带图(5-23) 固体的能带图(5-24) 本征半导体的能带在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，如某一能带被电子填满 ，则称之为“满带”，

4、而在未激发情况下无电子填入的能带叫做“空带，若价带中的电 子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时，价带上由于价电 子激发到导带后 留下一些空着的能级称为“空穴”。 “价带” 和“导带”之间是“禁带”。在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。这 时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如四价半 导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带 上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果 我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可

5、 跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半 导体。2电子和空穴的统计分布统计物理学指出：热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费 米分布，一个电子占据能量为E的能级的几率为由上式可见，对于某一温度T，能级E上的电子占据率唯一地由费米能级EF所确定， 因此可以把EF视作电子填充能级水平的一把“尺子”。3.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问 题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。 图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系在未掺杂质的本征型

6、半导体中，费米能级居于禁带中央，导带内的电子或价带内 的空穴是非简并化分布(图a)。在轻掺杂P型半导体中，受主能级使费米能级向下移动(图b);轻掺杂N型半导体中， 施主能级使费米能级向上移动(图d);在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中出现空穴P型简并半导体 (图c);在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子N型简并半导体 (图e);双简并半导体半导体中存在两个费米能级。 (图f ); 两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。4

7、.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带(图ae )中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有有自由电子，在它下面已经被 电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。(图f )中的情况都只有两费米能级，导带有自由电子，价带中有 空穴，当入射光的频率满足 时，外来光子会诱导导带中的自由电子向价带空穴跃迁而发出 一个同样的光子。 5.4.2 PN结和粒子数反转在热平衡系统中(图ae )中的情况都只有一个费米能级不能产生光放大。把P型 和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 一、 P-N结的双简并能带结构 如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型

8、，则在接合处形成PN结。未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在PN 结的交界面两侧形成空间电荷 区，生产自建场，其电场方向自N区指向P区。引起漂移运动，当扩散运动和漂移运 动达到热平衡时， P区和N区的费米能级必然达到同一水平。这时，在P区和N区分别出现P型简并区 和N型简并区， P区的价带顶充满了空穴，N 区的导带底充满了电子。在结区造成了能带的弯曲。 自建场的作用，形成了接触电位差VD叫做PN 结的势垒高度。P区所有能级上的电 子都有了附加位能，它等于势垒高度VD 乘以电子电荷e（VDe）图(5-26) PN能带当给PN 结加以正向电压V时，如图（5-27）所示，原来的自建场将被削弱，势

9、垒降 低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加 了，这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。此时结区 的统一费米能级不复存在，行成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分 别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构二、 粒子数反转 二、 粒子数反转产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成 粒子数反转分布。 图(5-26) PN能带图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态

10、的价带填充起，填满价带后才 填充导带。如果我们能利用光或电注入的办法，便在PN 附近够成大量的非平衡载流子 ，在此其复合寿命更短的时间内电子在导带、空穴在价带分别达到暂时的平衡，则在这 一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态。对于重掺杂的 GaAs PN 结，在PN 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴 ，这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在 谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下跃 迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大于 受激吸收光子的速率。考虑激光器工作在

11、连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N 区的费 米能级来计算价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 价带顶电子占据几率则为 在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是此式便是同质结半导体激光器的载流子反转分布条件。其物理意义是：（1）工作区中导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率。（2）因为发射的光子能量基本等于禁带宽度Eg，因而要求(E-F) 一(E+F) Eg，而PN 结两边的PP型和NN型半导体都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导 带和价带。（3）所加的正向偏压必须满足图(5-28) GaAs激光器的结构5.4.3 半导体激光器的

12、工作原理和阈值条件 一、 半导体激光器的基本结构和工作原理 图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。 图(5-28b)是台面形管芯激光器的外形结构，管芯的形状有长方形，台面形,电极条 形等多种，图(5-28a) 的管芯形状是长方形， PN 结的厚度仅几十微米，一般是在N 型GaAs衬底上生长一薄层P型 GaAs 而形成PN 结。激光器的谐振腔一般是直接利用垂直于PN 结的两个端面，由于GaAs的折射率 n3.6，所以对于垂直于端面的光的反射率为32%。为了提高输出功率和降低工作 电流，一般使其中一个反射面镀金反膜。二、 半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还

13、需要满足阈值条件 工作物质实现了粒子数反转后，光在谐振腔内传播时便有增益，但能否有效地形成激 光振荡，还与腔内损耗有关。只有在增益恰等于损耗时才能满足振荡的阈值要求。这说明半导体激光器的增益不仅要大于零，还必须达到某一数值才能形成激光。t复合结区电子寿命 t复合=1/A21 n粒子数反转值增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 三、半导体激光器的阈值电流 三、半导体激光器的阈值电流 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空 穴复合数相等而达到平衡 当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光。数值例： GaAs PN 结激光器5.4.4 同质结和异质结半导体激

14、光器 1.伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(529)所示。 一、 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 图(5-29) GaAs激光器的伏安特性2.阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 显然，降低J阈的值是提高半导体水平的关键，经研究人们发现J阈与以下因素有关：（1）与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，不同器件a总值差异很大；（2）J阈1/L，即阈值电流密度与腔长L成反比；（3） J阈与工作温度的关系十分密切；（4） J阈与反射率r1r2有关，通常两个反射面都是天然解理面，故 r1 =r2 =0.32。当腔长 转短时，若12L比a总小或接近，一个端面镀金反膜会使J阈 明显降低

15、，但当腔长 L较长时 ， J阈的降低就不很明显了。3.方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。 图(5-30) 激光束的空间分布示意图 4.光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器 的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧 光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入 电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽 达几十埃。 因为半导体激光器的谐振腔短小,所以 激光束的方向性较之其他典型的激光器要 差很多。而且由于有源区厚度很薄,有源区 的条宽比厚度大很多倍,所以在垂直于结的 方向和平行于结均方向的光束发散角是不 对称的,前者要大数倍。GaAs的激射光谱线宽比固体和气体激光器要宽。这是

16、因为半导体产生激光时,粒子反 转分布并不是在两个分立的能级之间,而是在导带和价带之内。每个能带都包含了许多级, 这就使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围。由于增益谱线宽,其发射光谱的单色 性就要差一些。实际的激光器发射光谱的结构是很复杂的,光谱宽度随注入电流增加而变宽,一 般可从零点几纳米到几纳米范围内变化。同时,半导体激光器的光谱随温度而变化 。当温度升高时,激光的峰值波长向长波方向移动。对GaAs同质结器件,峰值波长在 77K时为0.84um,300K时为0.902um。外微分量子效率D : 功率效率P :功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 5转换效率半导体激光器所用的转换效率常用“功率效率”和“量子效率”来度量。P输出功率 Pth 阈值发射光功率 hv发射光子能量 i正向电流 ith 正向阈值电流 e电子电量 V正向偏压 RS激光器串联内阻一般同质结激光器在室温